時間觸發(fā)以太網(wǎng)加速航電互聯(lián)
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董進(jìn)武
（中國人民解放軍海軍駐閻良地區(qū)航空軍事代表室，西安710089）
摘要：時間觸發(fā)以太網(wǎng)( TTE)是具有高精度分布式時鐘同步機(jī)制、時間和事件觸發(fā)功能以及數(shù)據(jù)高可靠性的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)航空電子綜合化互聯(lián)發(fā)展需求，分別分析了TTE網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和實時性，給出了仿真TTE網(wǎng)絡(luò)的方法，驗證了時間觸發(fā)以太網(wǎng)實時特性，仿真表明TTE適用于分布式航電互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)鍵詞：時間觸發(fā)以太網(wǎng)；全雙工交換式以太網(wǎng)；分布式綜合模塊架構(gòu)
中圖分類號：V271.4 文章編號：1671-637X(2016)02 -0074 -05
0 引言
時間觸發(fā)以太網(wǎng)（Time Triggered Ethemet，TTE）在交換式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)了精確到亞微秒量級的分布式時鐘同步，為時間觸發(fā)通信的調(diào)度提供了必要條件。經(jīng)過產(chǎn)業(yè)界的推動，TTE網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)不僅能夠在現(xiàn)有航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)( AFDX)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，以支持混合關(guān)鍵性的流量，而且有望將現(xiàn)有航空電子體系結(jié)構(gòu)提升為分布式綜合模塊化( DIMA)結(jié)構(gòu)。目前，TTE已經(jīng)應(yīng)用于多種航天航空產(chǎn)品，如NASA的Orion多用途載人飛船、波音的A380和西科斯基的直升機(jī)。
1 TTE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
SAE AS6802標(biāo)準(zhǔn)說明，它的使用范圍僅規(guī)定在以太網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上用于時間觸發(fā)通信和分區(qū)管理的故障冗余同步協(xié)議，具體而言，它并不重新定義IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或AFDX等專用以太網(wǎng)，而僅關(guān)注于分布式時鐘同步協(xié)議的定義，能夠為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供“分布式故障容忍同步、具有魯棒性的時分多路復(fù)用( TDM)式的帶寬劃分，以及帶有固定時延和微秒級時延抖動的同步通信”。
SAE AS6802標(biāo)準(zhǔn)對于分布式同步協(xié)議的規(guī)定特別關(guān)注于系統(tǒng)的完整性，分布式時鐘同步依賴于透明時鐘機(jī)制和具有容錯能力的分布式算法，系統(tǒng)的啟動和重啟動嚴(yán)格遵循定義的協(xié)議狀態(tài)機(jī)，并且根據(jù)應(yīng)用的需要分別給出高完整性和標(biāo)準(zhǔn)完整性的配置說明，目的在于使TTF網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于時間關(guān)鍵性、安全關(guān)鍵性和任務(wù)關(guān)鍵性的嵌入式系統(tǒng)互連。
在SAE AS6802標(biāo)準(zhǔn)的文檔中，除了對TTE網(wǎng)絡(luò)的范圍和引用文檔進(jìn)行說明之外，主要集中于TEE的同步協(xié)議控制機(jī)制和工作機(jī)理的描述。其中與TTF網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有關(guān)的功能主要有同步協(xié)議控制、重要的消息固化及壓縮、時鐘同步服務(wù)等；與完整性有關(guān)的工作機(jī)理主要有結(jié)團(tuán)檢測、啟動和重啟動、系統(tǒng)與系統(tǒng)同步等。文檔還對同步參數(shù)進(jìn)行概述，并在附錄中給出故障封閉，以及TTE網(wǎng)絡(luò)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和AFDX網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的指南5。
對于全局時鐘同步，TTE網(wǎng)絡(luò)“同步拓?fù)?#8221;的概況如表1所示。最底層定義為設(shè)備級別，包括同步主控器(SM)、同步客戶端(SC)和壓縮控制器(CM)；集群級別將具有相同同步優(yōu)先級和同步域的設(shè)備組織為一組，并成為一個集群；多集群級別將具有不同優(yōu)先級和相同同步域的多個集群組織為一組；在最上層的網(wǎng)絡(luò)級別將所有的具有不同同步優(yōu)先級和不同同步域的集群組織在一起。
TTE提供了1種協(xié)議控制流量和3種不同的流量等級：協(xié)議控制幀( PCF)流量、時間觸發(fā)(TT)流量、速率約束( Rate-Constrained，RC)和“盡力傳”(Best-Effoit，BE)流量，所以，TTE網(wǎng)絡(luò)能夠在一個物理網(wǎng)絡(luò)上支持具有不同實時性和安全性需求應(yīng)用之間的通信。
PCF幀是64 Byte的以太網(wǎng)幀，其類型字段被設(shè)為Ox891d，其以太網(wǎng)凈載荷中包含“透明時鐘域”，用于實現(xiàn)SM，CM和SC之間的分布式時鐘同步算法。
TT消息用于具有嚴(yán)格時延、時延抖動和確定性需求的應(yīng)用。TT消息在網(wǎng)絡(luò)上以預(yù)先定義的時刻發(fā)送，雖然低于PCF的優(yōu)先級，但優(yōu)于其他流量等級的優(yōu)先級。RC消息實現(xiàn)與ARINC664 part 7標(biāo)準(zhǔn)兼容的通信模式，被用于那些與嚴(yán)格的時間觸發(fā)應(yīng)用相比確定性和實時性弱一些的應(yīng)用。RC消息保證對于每個應(yīng)用具有預(yù)定義的帶寬，而且延遲和時間偏離量具有規(guī)定的界限。與TT消息不同，RC消息的發(fā)送是事件觸發(fā)的，在設(shè)計中需要采用最壞情況分析方法評價其延遲和時延抖動上限，以核對是否滿足設(shè)計要求。BE消息實現(xiàn)的是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信方法，在沒有TT或RC形式的關(guān)鍵性流量的情況下，傳輸沒有實時性要求的信息。
TTF網(wǎng)絡(luò)的分布式時鐘同步分為兩個步驟：SM向其相連的CM發(fā)送時鐘同步控制幀PCF，CM向其相連的SM和CM發(fā)送壓縮后的時鐘同步數(shù)據(jù)幀。如圖1所示，在每個綜合循環(huán)中，多個SM在本地時鐘到達(dá)預(yù)設(shè)時間點時向CM發(fā)送PCF幀，由于存在時鐘偏移和傳輸延遲，各個SM發(fā)送PCF的真實時間會有差別。CM收到PCF幀的時序和發(fā)送時序不一致，需要執(zhí)行固化功能，通過“透明時鐘”攜帶的傳輸延遲信息還原SM派發(fā)PCF幀的真實時序和絕對時間間隔。隨后，CM對固化后的時刻執(zhí)行壓縮功能，對于還原的多個SM的發(fā)送時刻取平均，作為時鐘更正的基準(zhǔn)值。CM -方面根據(jù)基準(zhǔn)值對自身時鐘進(jìn)行修正，另一方面根據(jù)基準(zhǔn)值進(jìn)行一段預(yù)設(shè)的延遲，再向SM和SC派發(fā)壓縮后的PCF幀。SM/SC也執(zhí)行固化功能，還原PCF幀的實際派發(fā)時刻，并將此實際時刻與期望時刻對比，算出本地時鐘和基準(zhǔn)值的差值，修正本地時鐘。
TTE網(wǎng)絡(luò)提供同步優(yōu)先級和同步域機(jī)制。在一個TTE網(wǎng)路中，兩個屬于不同同步域的組件不相互同步它們的時鐘，它們之間的通信只有通過非時間觸發(fā)流量，即RC或BE流量實現(xiàn)。當(dāng)某個同步域中的TT消息在跨越同步域的時候，被作為非TT消息轉(zhuǎn)發(fā)。
2 航空電子綜合化互連需求
航空電子系統(tǒng)經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式和先進(jìn)綜合式4個發(fā)展階段，其演變歷程如圖2所示，各個階段均具有不同體系結(jié)構(gòu)的綜合化互連技術(shù)。
伴隨著時間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)的出現(xiàn)，在先進(jìn)綜合式的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)先進(jìn)的分布式綜合模塊化航空電子( DIMA)系統(tǒng)，其具有靈活、可重用的特點和良好的互操作能力7。為了更好地適應(yīng)各種任務(wù)的新需求，航電信息系統(tǒng)集成的總體方向向著高實時、高帶寬、分布式、綜合化、模塊化、小型化、智能化及即插即用的技術(shù)趨勢發(fā)展。針對這些需求，TTE網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)具有如下優(yōu)勢。
1)可擴(kuò)展性和混合關(guān)鍵性保證。物理節(jié)點數(shù)量由交換機(jī)端口數(shù)量決定，易于擴(kuò)展；虛擬鏈路( VL)支持不同關(guān)鍵性等級的流量，滿足硬實時、軟實時與非實時系統(tǒng)、低速與高速系統(tǒng)同時存在的需要，保護(hù)既有投資，實現(xiàn)技術(shù)無縫升級。
2)高帶寬和時間確定性保證。支持微秒級別的實時控制系統(tǒng)；支持100 M bit/s和1 G bit/s通信速率，物理層采用雙絞線或光纖，10 G bit/s通信速率的TTE技術(shù)正在研發(fā)。
下面將分別對于TTE網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和時間確定性進(jìn)行討論。
3 TTE網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展設(shè)計
3.1 物理拓?fù)涞目蓴U(kuò)展性
TTF網(wǎng)絡(luò)與大飛機(jī)中采用的飛機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(ADN)的物理層兼容。兼容的物理層包括：
1)電介質(zhì)SIP，100Base-TX標(biāo)準(zhǔn)，碼速率100 M bit/s；
2)光介質(zhì)多模光纖，100 Base-FX標(biāo)準(zhǔn)，碼速率100M bit/s，線路碼型采用8 bit/10 bit編碼；
3)光介質(zhì)多模光纖，1000Base-SX標(biāo)準(zhǔn)，碼速率1000 M bit/s，線路碼型采用8 bit/10 bit編碼，但分為中心波長850 nm和1300 nm兩種物理層收發(fā)器。
上述標(biāo)準(zhǔn)還約定：對于物理層中的介質(zhì)有關(guān)接口( MDI)子層，不采用商用以太網(wǎng)中的MDI-X技術(shù)；對于MDI子層，不采用商用以太網(wǎng)中的信號自協(xié)商技術(shù)，即不允許收發(fā)器同時支持多種協(xié)議并自動切換。
3.2實時通信的可擴(kuò)展性
TTE網(wǎng)絡(luò)采用全雙工互連，屏蔽了商用以太網(wǎng)的半雙工協(xié)議，更利于進(jìn)行多級交換級聯(lián)。除此之外，TTE網(wǎng)絡(luò)與商用以太網(wǎng)在鏈路層最大的不同在于：1）TTE網(wǎng)絡(luò)使用靜態(tài)路由，不受商用網(wǎng)絡(luò)樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募s束；2）TTE網(wǎng)絡(luò)使用靜態(tài)尋址，不采用自學(xué)習(xí)的MAC層尋址協(xié)議。
商用以太網(wǎng)采用最小生成樹協(xié)議避免出現(xiàn)環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)路徑，而TTF,網(wǎng)絡(luò)完全禁止這種STP協(xié)商，可以根據(jù)流量均衡原則配置路徑。在靜態(tài)路由的支持下，TTE網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)也采用用戶自定義配置的靜態(tài)尋址方式，屏蔽了商用以太網(wǎng)交換機(jī)的自學(xué)習(xí)功能，避免了鏈路層建立尋址表的耗時，杜絕了相應(yīng)的信令幀對實時通信的干擾。
在實用中TT流量和RC流量都可以被作為VL管
理，在MAC地址中嵌入16位的VL ID。
3.3 中心守衛(wèi)機(jī)制的可擴(kuò)展性
為了使既有的RC流量和TT流量共存，交換機(jī)要具備更強(qiáng)的中心守衛(wèi)功能，即：
1) RC流量的指令／監(jiān)視對(COM/MON pair)，防止RC流量被'IT流量干擾，或干擾TT流量發(fā)生不一致故障；
2) RC流量的流量管制機(jī)制，防止某個節(jié)點主機(jī)故障時發(fā)出大量無意義的RC流量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
以高完整性為設(shè)計要求的組件COM/MON對的結(jié)構(gòu)如圖3所示，以應(yīng)對假設(shè)網(wǎng)絡(luò)組件發(fā)生不一致、遺漏失效的情況，即核心COM/MON的假設(shè)是：COM和MON獨立失效、MON能夠截斷COM產(chǎn)生的故障消息；當(dāng)listen_ OUT和OUT中消息不同時，COM不能產(chǎn)生一個有效消息；MON自身不能通過將listen_ OUT反接到OUTPUT，以及MON自身不能隨意截斷信號產(chǎn)生一條故障消息。
同時，對于RC流量采用基于令牌漏桶算法的流量管制機(jī)制，其基本思想是：當(dāng)數(shù)據(jù)包的流量到達(dá)時，積累的信用量開始減少。若包流的速率超過信用量的充值速率，會出現(xiàn)信用量不足的現(xiàn)象，包長超過信用量的包被丟棄，起到了避免某條VL失控發(fā)出過多無意義數(shù)據(jù)包占據(jù)帶寬阻塞其他正常流量的作用。最壞情況下的流量管制運行情況如圖4所示。
3.4時鐘同步的可擴(kuò)展性
PCF幀是TTE網(wǎng)絡(luò)中達(dá)成分布式時鐘同步的信令，其中的位域“p c f_ membership _new”是一個標(biāo)識同步成員的32位比特矢量。必須注意的是，這里提到的“新成員”僅指同步主控器，而不包含同步客戶端；因此，一個同步域最多有32個SM參與分布式時鐘的校準(zhǔn)，但理論上SC的數(shù)目不受限制。這樣，使得一個同步域的節(jié)點容量滿足網(wǎng)絡(luò)容量可擴(kuò)展的需求。
在實際應(yīng)用中，在一個同步域中選取時鐘精度比較高的4~5個節(jié)點，一般即可滿足1 μ s精度的分布式時鐘同步的要求。過多設(shè)置參與同步的SM，不僅會提高設(shè)備造價，而且引起比較復(fù)雜的結(jié)團(tuán)檢測。SC的協(xié)議狀態(tài)機(jī)非常簡單，易于實現(xiàn)且對嵌入式設(shè)備處理的開銷要求極小。
TTF網(wǎng)絡(luò)允許在一個時鐘域中使用多個互為備份的CM，這樣，SM可以在一個IC之內(nèi)收到多個CM返回的PCF幀，SM將收到的這些幀固化后平均（或取中位數(shù)），在多個CM都正常工作時可以提高同步精度，而在多個CM中有某個CM發(fā)生故障的情況下可以根據(jù)拜占庭算法進(jìn)行容錯。
4 TTE網(wǎng)絡(luò)的時間確定性保證
TTE網(wǎng)絡(luò)充分發(fā)揮了交換式可擴(kuò)展的靈活性，然而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由的變化必然導(dǎo)致重新設(shè)計和配置 TT流量的時刻調(diào)度表。對于包含復(fù)雜周期關(guān)系的通信任務(wù)集（通信任務(wù)的周期不呈2的冪次的調(diào)和整數(shù)倍關(guān)系，甚至多個任務(wù)之間的周期互質(zhì)），生成時刻調(diào)度表是NP問題，目前具有求解該問題的形式化求解器，進(jìn)行離線求解。對于大部分的任務(wù)集和非病態(tài)的約束關(guān)系，還是能夠在可容忍的時間內(nèi)得到可行解。
由于需要TT流量與RC流量共存，所以獲得調(diào)度表后的1Tr流量被所謂“后驗調(diào)度變換”過程疏解開，分散在整個CC周期，形成多孔調(diào)度。每個CC周期的時隙非常緊密，而RC流量可以利用TT消息之間的孔隙傳輸。
例如，TTT ech公司自身的設(shè)計工具TT-Plan采用內(nèi)嵌SMT問題（計算機(jī)學(xué)SAT問題的一個子集）求解器的方法進(jìn)行調(diào)度表生成，降低了系統(tǒng)集成者的工作強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)可行解后，TT-Plan工具以圖形化的方式展示每條TT虛擬鏈路經(jīng)過各條物理鏈路的時序關(guān)系，如圖5所示。
5案例仿真研究
可以采用OPNET開放式仿真平臺開發(fā)TTE網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，對TTE網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)(ES)和交換機(jī)建模中最關(guān)鍵的部分是可以處理多種實時流量的端口模型，在OPNET的模塊層次中建立端口模型，如圖6所示，分別對于不同級別流量采用不同的調(diào)度隊列和時間控制策略。
實驗案例是包含兩個機(jī)群的TTE交換式級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示，每個機(jī)群包含一臺交換機(jī)和3臺ES,設(shè)壓縮控制器(CM)分別安置在交換機(jī)SW01上，其他的FS通過直接接入或交換機(jī)SW02轉(zhuǎn)發(fā)PCF，分別充當(dāng)SM執(zhí)行分布式時鐘同步協(xié)議。
TTE業(yè)務(wù)流量配置見表2。
仿真案例中TT流量和RC流量的端到端延遲比較如圖8所示。
6結(jié)束語
對于航空電子綜合化互連應(yīng)用，TTE網(wǎng)絡(luò)能夠滿足其可擴(kuò)展性和時間確定性需求，必將加速航空電子系統(tǒng)互聯(lián)的發(fā)展。仿真表明，不同關(guān)鍵等級的流量可以在綜合化網(wǎng)絡(luò)中共存，并分別保證其實時性能要求。時間觸發(fā)通信任務(wù)根據(jù)時間調(diào)度表確定發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)和接收時刻，具有嚴(yán)格的時間確定性，其時延抖動遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于事件觸發(fā)的速率約束流量，可供重要的安全關(guān)鍵性通信任務(wù)使用。
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